CN1975339B - 经改进的内插编码器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种经改进的内插编码器。公开了一种编码器，其具有检测器和在检测器上生成代码条带的图像的光学***。该图像包括多个亮条带和暗条带，该检测器在代码条带相对于检测器移动时生成彼此相位不同的多个正弦信号。当代码条带相对于检测器移动等于一个亮条带和一个暗条带的距离时，每个正弦信号循环经过一个周期。频率倍增器生成多个频率倍增的信号。该编码器使用信号内插器，该信号内插器利用频率倍增的信号限定多个位置，相应于代码条带相对于检测器移动等于一个亮条带和一个暗条带的距离，至少有5个这样的点。

Description

经改进的内插编码器

技术领域

本发明涉及经改进的内插编码器。

背景技术

编码器提供对***中的组件相对于某个预定参考点的位置的测量。编码器一般被用来向电动机或其他致动器提供闭环反馈***。例如，轴编码器输出指示旋转轴相对于某个不移动的已知参考位置的位置的数字信号。线性编码器在可移动车架沿预定路径移动时测量可移动车架的当前位置和相对于可移动车架固定的参考位置之间的距离。

绝对轴编码器一般使用连接到轴的盘上的多个轨道。每个轨道包括被检测器查看的一系列暗条带和亮条带，该检测器根据检测器所查看的区域是亮还是暗输出数字值1或0。N位二进制编码器一般使用N个这样的轨道，对于每一位有一个轨道。增量编码器一般使用被检测器查看的单个轨道，该检测器确定经过检测器的条带的方向和数目。通过在每个条带经过检测器时增加或减小计数器来确定位置。

在两类编码器中，最终分辨率都由条带图样和用于查看条带图样的检测器的大小确定。为了提供更高的分辨率，必须增大条带密度。例如，在轴编码器中，必须增大每旋转度的条带数目。类似地，在线性编码器中，必须增大线性运动的限度之间的条带数目。但是，对于条带密度存在实际限制，该限制是由光学和成本约束所设置的。

用于提供更高的分辨率的一种方法是利用内插方案来提供对在检测到条带边缘的点之间的光电检测器和代码条带的相对位置的估计。在一种方案中，来自轨道的光被两组检测器查看。检测器的形状和位置被设置为提供相位相差90度的两个正弦信号。通过测量基于这些正弦波的两个信号交叉的点，可以提供中间位置测量结果。中间点确定的精确度取决于正弦波的频率，而正弦波的频率又由代码条带或盘中的条带数目设置。从而，这类***只能使分辨率增大有限的量。

发明内容

本发明包括一种编码器，其具有检测器和在检测器上生成代码条带的图像的光学***。该图像包括多个亮条带和暗条带，该检测器在代码条带相对于检测器移动时生成彼此相位不同的多个正弦信号。当代码条带相对于检测器移动等于一个亮条带和一个暗条带的距离时，每个正弦信号循环经过且仅经过一个周期，其中亮条带是反射性条带，暗条带是吸收性条带，并且在亮条带和暗条带的图像移动越过检测器时，检测器由亮条带和暗条带的图像生成多个正弦信号。该编码器包括频率倍增器，该频率倍增器生成多个频率倍增的信号，每个频率倍增的信号对应于所述正弦信号之一，并且具有是该相应正弦信号的频率的整数倍的频率，该整数倍大于1。该编码器使用信号内插器，该信号内插器利用频率倍增的信号限定多个位置，相应于代码条带相对于检测器移动等于一个亮条带和一个暗条带的距离，至少有5个这样的点。信号内插器可以生成具有第一状态和第二状态的信号，其中，每当频率倍增的信号之一经过预定值时，该信号改变状态。

附图说明

图1示出透射性编码器。

图2示出反射性编码器。

图3示出成像编码器。

图4示出利用正弦内插的2信道编码器。

图5示出提供信道A信号的组合A和A’信号，所述信道A信号是正弦波。

图6是光电检测器40的顶视图。

图7是光电检测器40的沿图6所示的线7-7的截面图。

图8示出根据本发明的一个实施例的编码器100。

图9是线性编码器90的一部分的顶视图。

图10是根据本发明的另一个实施例的编码器80的顶视图。

具体实施方式

现参考图1-3，这些图示出了某些典型编码器设计。编码器可以被划分成发射器/检测器模块15和代码轮或代码条带。模块15包括发射器11，发射器11照射代码条带12的一部分。被照射的代码条带被检测器13查看。发射器一般利用LED作为光源。检测器一般基于一个或多个光电二极管。图1示出透射性编码器。在透射性编码器中，来自发射器的光被作为发射器的一部分的准直光学器件(例如透镜)校准成平行光束。代码条带12包括不透明条带16和透明条带17。当代码条带12在发射器11和检测器13之间移动时，光束被代码条带上的不透明条带打断。检测器中的光电二极管接收光的闪现。所产生的信号随后被用来生成在逻辑1和逻辑0之间转换的逻辑信号。

图2示出反射性编码器。在反射性编码器中，代码条带包括反射性条带18和吸收性条带19。同样，发射器包括准直光学器件，例如透镜。来自发射器的光被代码条带上的条带反射或吸收。反射光被成像到检测器中的光电二极管上。来自光电检测器的输出再次被转换成逻辑信号。

图3示出成像编码器。成像编码器的操作基本上与上述反射性编码器相同，只不过模块15包括成像光学器件，其在检测器14上形成被照射的代码条带的图像。

在这些类型的编码器中的每一类中，在光电二极管阵列中的光电二极管的光敏区域上生成条带图样的一部分的图像。为了简化以下论述，将利用示出代码条带的图像和其上形成图像的光电二极管的表面区域的图。在每幅图中，代码条带的图像将被显示在光电二极管阵列旁边，以简化附图。但是，要理解，在实践中，代码条带的图像会被投影到光电二极管阵列的表面上。此外，为了进一步简化附图，图中省略了光源和任何准直或成像光学器件。

现参考图4和图5，这些图示出了利用正弦内插的2信道编码器。内插器20包括将图像21投影到光电二极管阵列22上的代码条带。该图像具有交替的亮带和暗带，分别在24和25处示出。光电二极管阵列包括4个标注为A、B、A’、B’的光电二极管。A’和B’光电二极管分别相对于A和B光电二极管偏移了一段距离，以便这些光电二极管分别生成来自A和B光电二极管的信号的补充信号。A和B光电二极管彼此偏移一定量，这个量导致B光电二极管信号相对于A光电二极管信号有90度的相位差。

A和A’信号被电路31组合以提供信道A信号，该信道A信号是正弦波，如图5所示。类似地，B和B’信号被电路32组合以提供信道B信号，该信道B信号是相对于信道A信号有90度相位差的正弦波。在一个传播方向上，信道A信号将会领先信道B信号。在另一个传播方向上，信道B信号将会领先信道A信号。从而，通过观察这两个信号之间的关系，可以确定传播方向。

两个信道信号被内插器23组合以生成输出信号，该输出信号是周期小于代码条带图像的周期的方波。即，当代码条带图像的2D部分经过光电二极管之一时，输出信号将会经历多于一个周期。输出信号的周期取决于内插器23所使用的特定算法。由于这些算法是本领域中公知的，并且对于理解本发明并不重要，因此这里将不会详细论述这些算法。对于本论述的目的，注意到以下这一点就足够了：2D周期内的中间点的数目可以通过确定正弦之一与通过用整数乘以另一正弦波而生成的曲线相交叉的点来限定。

如上所述，光电二极管中的每一个生成一个输出信号，该输出信号是正弦波。现参考图6和图7，这些图示出了提供这种信号的光电二极管。图6是光电检测器40的顶视图，图7是光电检测器40的沿图6所示的线7-7的截面图。光电检测器40是由光电二极管43和屏幕41构造成的，所述光电二极管43具有活动区域46，所述屏幕41中具有一个或多个开口。示例性的开口在42处示出。光电二极管生成输出信号，该输出信号与入射在光电二极管上的光量成比例。在代码条带图像以恒定速度移动经过光电二极管时，光图样移动越过开口。假定在光图样移动跨过开口时，亮带内的光强度保持恒定。开口的形状被确定成使得作为时间函数的光强度为正弦波。

本发明利用了信道A信号和信道B信号来生成一对新的信号，这对新信号是正弦波并且具有更高的频率。随后可以在进行或不进行进一步内插的情况下使用更高频率的信号来提供比起从原始信道A信号和信道B信号获得的分辨率来级别更高的分辨率。现参考图8，该图示出了根据本发明的一个实施例的编码器100。为了简化以下论述，编码器100中提供与以上参考图4描述的元件类似的功能的那些元件被赋予相同的标号，并且在这里将不被详细论述。

编码器100利用频率倍增电路101来将以上所述的正弦信道A信号和信道B信号转换成两个新的信号，信道A’信号和信道B’信号，这两个新信号的频率是信道A信号和信道B信号的倍数。这些频率倍增的信号随后被输入到内插器电路102，以提供最终的输出信号。对于本论述，将假定信道A＝sin(θ)，信道B＝cos(θ)。本发明基于以下观察：cos(nθ)和sin(nθ)可以根据sin(θ)和cos(θ)计算。例如

sin(2θ)＝2sin(θ)cos(θ)，以及

cos(2θ)＝cos²(θ)-sin²(θ)。

类似地，

sin(3θ)＝3sin(θ)-4sin³(θ)，以及

cos(3θ)＝4cos³(θ)-3cos(θ)。

这些信号的更高阶倍数可以通过使用原始信号或通过对cos(2θ)、sin(2θ)、cos(θ)、sin(θ)等的各种组合进行乘法和加法来计算。这些计算可以用模拟或数字电路来执行。将两个信号乘起来以及将两个信号加在一起的模拟电路是本领域中公知的，从而在这里将不会详细论述。对于便宜的编码器，模拟电路是优选的。

原则上，任何可用于原始信道A信号和信道B信号的内插算法都可以用于新的信道A’信号和信道B’信号。内插的最简单的形式测量信道A’信号或信道B’信号经过零的点。在这种情况下，每当任一信号经过零时，输出信号就在0和1之间切换。在频率倍增之前，在代码条带移动距离2D的时段中，存在4个这样的点。从而，当使用通过使频率加倍而生成的信号时，可以限定8个这样的点，从而相对于只使用原始信道A信号和信道B信号的***，分辨率可以额外增加2倍。类似地，如果新信号是通过将原始频率乘以3倍而生成的，则当代码条带移动经过2D距离时可以限定12个这样的点。

上述实施例利用了代码条带来调制来自发射器检测器模块的光。术语代码条带通常用来指线性编码器，即沿着一条线的一系列交替的矩形条带，这些条带用于测量一个组件相对于另一个的线性位移。现参考图9，该图是线性编码器90的一部分的顶视图，该线性编码器90具有代码条带91，该代码条带91包括分别沿线96排列的反射性和吸收性条带92和93。发射器检测器模块95被放置在代码条带的一部分之下。代码条带沿着平行于线96的方向相对于发射器检测器模块95移动。发射器检测器模块包括多个具有以上形式的光电检测器。每个光电检测器包括一个窗口和一个光电二极管，该光电二极管在代码条带图样相对于检测器移动时生成正弦信号。光电二极管的数目将取决于检测器中实现的信道的数目。

但是，将会意识到，利用本发明教导还可以构造利用代码盘来测量轴相对于固定位置的角位移的轴编码器。现参考图10，该图是根据本发明的另一个实施例的编码器80的顶视图。编码器80对轴86的角位置进行编码。编码器80与上述编码器的类似之处在于发射器检测器模块85照射代码图样并且测量被代码图样的反射性部分所反射的光。上述代码条带被代码盘81所取代，该代码盘包括沿着一个圆的交替的截饼状扇形82和83，该圆的圆心与轴86的一致。每个扇形由圆心位于轴86的圆心处的圆89的两条半径以及圆88和89限定。光电检测器包括在圆的半径上对准的代码窗口，从而光电二极管生成彼此相位有偏移的正弦信号。光源和发射器检测器模块85的光电检测器在圆89的半径84上对准。为了简化这里使用的术语，术语“代码条带”被定义为既包括线性代码条带，也包括圆形代码盘。

上述实施例利用了相位相差90度的两个正弦信号。但是，也可以构造使用不同数目的正弦信号的实施例。例如，编码器可以利用生成相位相差60度的三个正弦信号的三个检测器。这些信号随后将被组合以提供频率倍增的信号。

本领域的技术人员从前述描述和附图中将明显看出对本发明的各种修改。因此，本发明只应当由所附权利要求书的范围限定。

Claims (5)

1.一种编码器，包括：

检测器；

光学***，用于在所述检测器上生成代码条带的图像，所述图像包括多个亮条带和暗条带，所述检测器在所述代码条带相对于所述检测器移动时生成彼此相位不同的多个正弦信号，当所述代码条带相对于所述检测器移动等于一个亮条带和一个暗条带的距离时，每个正弦信号循环经过且仅经过一个周期，其中所述亮条带是反射性条带，所述暗条带是吸收性条带，并且其中在所述亮条带和暗条带的图像移动越过所述检测器时，所述检测器由所述亮条带和暗条带的图像生成所述多个正弦信号；

频率倍增器，其生成多个频率倍增的信号，每个频率倍增的信号对应于所述正弦信号之一，并且具有是该相应正弦信号的频率的整数倍的频率，所述整数倍大于1；以及

信号内插器，其利用所述频率倍增的信号限定多个位置，相应于所述代码条带相对于所述检测器移动等于一个亮条带和一个暗条带的距离，至少有5个所述位置。

2.如权利要求1所述的编码器，其中所述检测器生成相位相差90度的正弦函数。

3.如权利要求1所述的编码器，其中所述信号内插器生成具有第一状态和第二状态的信号，其中，每当所述频率倍增的信号之一经过预定值时，所述信号改变状态。

4.如权利要求2所述的编码器，其中所述整数倍是2的整数倍。

5.如权利要求1所述的编码器，其中所述检测器包括多个光电检测器。

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